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(集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021)

0 引言

海上航行的郵輪，與在岸上行駛的交通工具不一樣，沒有太強的自救能力，一旦客房失火，由于郵輪的結構以鋼板和木材為主，木材極易燃燒，鋼板的熱傳導性非常強，客房易燃物多，火勢蔓延迅速，而且客房空間小、過道窄、人員密集，疏散速度慢，如果不幸發(fā)生火災，后果不堪設想。控制火災最有效的方法是準確、及時探測到火情并報警，將火情撲滅在萌芽階段，完全不給火焰壯大的機會?；趩纹瑱C的火災自動探測與報警電路正是可以及時發(fā)現(xiàn)火情的一種智能監(jiān)測系統(tǒng)，它通過溫度傳感器和煙霧傳感器能夠迅速檢測出人類不易發(fā)現(xiàn)的火災早期特征，經過單片機控制電路和音訊放大器報警電路，及時報警，方便船舶消防員準確及時地找到隱患點，迅速排除隱患。

1 郵輪客房火災自動探測與報警電路架構

圖1所示為簡易的郵輪房間圖，郵輪房間的高度一般為2.4至2.8米，房間面積多為12至17平米，這樣的設置是為了有良好的采光和通風，同時這樣標準的房間高度和房間面積，剛好處在本系統(tǒng)工作范圍之內。根據郵輪客房的結構特點，基于單片機的火災自動探測與報警電路的組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

在基于單片機的火災自動探測與報警電路中，DS18B20傳感器和MC14467傳感器根據51單片機控制模塊發(fā)送的指令分別對郵輪客房內的溫度和煙霧環(huán)境參數進行采集，然后經51單片機I/O接口傳輸到控制器，51單片機控制器對接收到的溫度和煙霧濃度信息進行數模轉換以及與預設的閾值比較等處理。如果客房的溫度和煙霧濃度正常，控制器將數據實時顯示到液晶顯示屏上；一旦實時采集到現(xiàn)場的溫度和煙霧超過上限值，控制器仍將實時顯示客房的溫度和煙霧濃度，同時觸發(fā)報警電路發(fā)出報警信號。

2 系統(tǒng)硬件設計

郵輪客房火災自動探測與報警整體電路如圖3所示，其功能是要根據郵輪客房防火的特點，對郵輪客房的室內溫度和煙霧濃度實時顯示，并判斷室內是否發(fā)生火災，當溫度高于39℃且煙霧濃度高于61%時電路發(fā)出報警信號。

圖3 整體電路

2.1 單片機外圍接口電路

單片機組成的控制器是火災自動探測與報警電路的核心，設計中選用的AT89C51型單片機屬于典型的51系列兼容機的代表作品，它的優(yōu)點突出：功能強大、低電壓，高性能，屬于CMOS8位機，在市場上占有相當大的份額。單片機內含有4k bytes反復可擦寫的Flash只讀程序存儲器，還有256 bytes隨機存儲數據存儲器(RAM)。AT89C51采用的是兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，指令容易理解，方便記憶，大部分復雜控制系統(tǒng)的都可以使用，適用于火災自動探測電路需要實時采集室內溫度和煙霧濃度，以及實時判斷和顯示更新的指標。AT89C51單片機相關的外圍接口電路如圖4所示，外圍電路由復位電路、時鐘電路、電源、EA端組成。晶體振蕩器X1、C1、C2構成時鐘電路，與單片機上的XTAL1和XTAL2相連R1和C3一起構成復位電路。EA接在VCC上，功能是選擇片內程序存儲器電源接通的那一瞬間，電容C3被視為導通。由于電源接通的一剎那屬于高頻，高頻電流通過電容，置單片機的RST為高電平，從而達到復位的目的，復位由電容來實現(xiàn)。通電瞬間，復位端、VCC端，這兩端的電位是相等的充電電流慢慢減少，RES的電位隨之下降直至變?yōu)?V，外圍電路實現(xiàn)自動復位功能。為了滿足郵輪客房火災自動探測與報警的實時性要求，晶體振蕩器X1選取振蕩頻率為12 MHz，它與電容C1、C2構成時鐘電路為單片機提供工作周期為1微秒的脈沖信號。

圖4 單片機外圍電路

2.2 溫度采集電路

傳統(tǒng)的老式溫度傳感器存在許多缺點：熱慣性比較大，響應時間非常緩慢。DS18B20是一款集成傳感、模數轉換、寄存器和接口電路于一體的數字式溫度傳感器。DS18B20傳感器是利用如圖5所示的偏上測量技術來對溫度進行測量，其測量原理：通過計數器的計數值來得到溫度值其內部含有兩個振蕩器，一個是高溫度系數振蕩器，另一個是低溫度系數振蕩器前者確定門周期。原理上如圖3中DS18B20傳感器溫度測量電路的分辨率可以達到0.5 ℃。電路工作時，AT89C52單片機通過P3.7端口向DS18B20的DQ口發(fā)送讀取指令后，DS18B20將經轉換所得的溫度值以補碼形式存放在9位高速暫存存儲器的數據傳送給AT89C52單片機。單片機在讀取數據時，一次會讀取兩字節(jié)共16位，讀完后將低11位的二進制數轉化為十進制數后，再乘以0.625便為所測量的實際溫度。另外需要判斷溫度的正負值、前五位數字為符號位。同時為1時候，讀取的溫度為負值，且測量到的溫度需要取反加1再乘以0.0625才可以得到正確溫度值，前五位為0時，讀取溫度為正值，直接乘以0.0625即可。

圖5 DS18B20溫度測量電路

2.3 煙霧采集電路

由MC14467組成的煙霧濃度采集電路如圖6所示。有煙霧時，收集極的電位保持平衡當有煙霧產生，煙霧進入電離室，對電離電流產生影響。煙霧首先進入外電離室，在進入內電離室，外電離室中的煙霧量更大。所以煙霧對外電離室電流的影響更大受此影響的結果是：電離電流下降，收集極開始工作，重新充電，充電過程一直持續(xù)到新的平衡電位。這種電位變化一直傳送到MC14467的檢測端15，內部邏輯電路對這一系列的變化進行處理，然后啟動報警電路。

圖6 煙霧采集電路

MC14467的9腳與12腳短接為采用內部振蕩器模式，其振蕩周期為1.67秒。14腳與16腳分別為煙霧濃度檢測信號上限和下限，所接兩個電阻均為1兆歐。6腳接9伏電源電壓，其濾波電容為10微法。1腳為信號輸出端，與AT89C52單片機通過P3.3端口連接。當MC14467一旦檢測到有煙霧時，內部振蕩器的振蕩周期變?yōu)?0毫秒，壓電蜂鳴器振蕩驅動電路啟動，啟動使能輸出為維持高電平160毫秒后，停止80毫秒。在停止期間，MC14467繼續(xù)檢測煙霧濃度的變化，如果沒有檢測到煙霧，那么禁止蜂鳴器振蕩電路；當檢測到煙霧，6腳的發(fā)光二極管亮(該發(fā)光二極管的限流電阻為1千歐姆)，同時將實時采集到的煙霧濃度通過1腳送到AT89C52單片機的P3.3，再由單片機控制器進行顯示及后續(xù)處理。

2.4 顯示電路

為了顯示結果直接明了，一目了然，本文采用了16×2液晶顯示器。與單片機連接組成顯示模擬中， 使能E端連P3.2口，讀寫R/W端連P3.1口，寄存RS連P3.0口，P0口作為數據傳輸線與液晶顯示器的D0～D7連接，連接電路如圖7所示。AT89C52單片機從MC14467煙霧濃度采集和DS18B20溫度采集電路接收的信號經處理計算后，譯碼處理轉換成8位二進制數據送至液晶顯示模塊進行動態(tài)輪流顯示。

圖7 液晶顯示器端口連接圖

2.5 聲光報警電路

通過分析實際工程數據可知，郵輪客房內發(fā)生火災溫度和煙霧濃度分別表現(xiàn)為39℃和61%及以上。如圖8所示聲光報警電路，當溫度傳感器測量到的溫度值高于39℃時，同時煙霧傳感器測量到的煙霧濃度超過61%，AT89C52單片機輸出高電平，至三極管Q1基極，此時三極管飽和導通，即集電極和發(fā)射極導通，聲和光報警器同時得電，從而觸發(fā)聲光報警。

3 軟件設計

3.1 主程序流程

基于單片機的郵輪客房火災自動探測與報警電路的主要功能涉及具體包括：初始化單片機系統(tǒng)、定義各個外圍功能芯片的工作參數以及數據傳輸、處理和顯示的控制。自動探測與報警電路主程序流程如圖9所示。

郵輪客房火災自動探測與報警電路上電工作后，溫度采集電路和煙霧濃度采集電路隨之進行工作，它們的工作方式相互獨立，并根據單片機的讀取指令把各自檢測到的數據傳送給單片機控制器；單片機控制器對接收數據進行計算處理后，一是送給液晶顯示模塊進行顯示，二是判定實時采集到的溫度和煙霧濃度是否超標，若溫度和煙霧濃度值同時超過各自所預置的閾值，則單片機輸出觸發(fā)信號觸發(fā)報警電路發(fā)出聲光報警信號；若溫度和煙霧濃度值正常，則報警電路不工作。但不管溫度和煙霧濃度值有沒有超閾值，AT89C52單片機都必須控制溫度采集電路和煙霧濃度繼續(xù)采集，即重復上述過程。

3.2 溫度采集子程序

溫度采集處理子程序的流程如圖10所示。步聚1：初始化DS18B20傳感器，然后開始溫度采集；步驟2：根據AT89C52控制指令傳輸數據，并按第2.2節(jié)所述進行計算處理；步驟3：實時顯示溫度的同時進行火災判斷，如果溫度值正常，即溫度值沒有超過預置上限值，則返回，重復執(zhí)行信號采集；如果檢測到的溫度值已經超過所設閾值，表示初步判斷有發(fā)生火災的可能，則需進入火災判斷子程序。

圖10 溫度采集子程序流程圖

3.3 煙霧濃度采集子程序

煙霧處理流程圖如圖11所示，其過程與溫度采集子程序流程相似。首先，初始化MC14467煙霧傳感器，開始煙霧濃度采集；然后，根據AT89C52控制指令傳輸數據，并對采集的數據進行處理；最后，實時顯示煙霧濃度，同時進行火災判斷，如果煙霧濃度值正常，即煙霧濃度值沒有超過預置的61%，則返回，重復執(zhí)行信號采集；如果檢測到的煙霧濃度值已經超過61%，表示初步判斷有發(fā)生火災的可能，則需進入火災判斷子程序。

圖11 煙霧濃度采集子程序流程圖

3.4 火災判斷與報警程序

圖12為火災判斷與報警流程圖。系統(tǒng)初始化完成后，同時接收實時采集到的煙霧信號采集和溫度信號，然后根據這兩個信號值來判斷它們是否超過所設置的各自上限值；如果僅僅是溫度或者是煙霧濃度值超標，則郵輪客房內沒有發(fā)生火災，系統(tǒng)不會報警；有且僅有溫度值和煙霧濃度值同時超標時，此時郵輪客房內已發(fā)生火災，也滿足了報警的條件系統(tǒng)，系統(tǒng)執(zhí)行聲光報警程序，否則系統(tǒng)返回信號采集，循環(huán)執(zhí)行程序。也即是說，溫度值超標，煙霧濃度值超標，二者滿足“與”邏輯門。

圖12 火災判斷與報警流程圖

4 Proteus仿真與結果分析

為了更好地驗證基于單片機的郵輪客房火災自動探測與報警電路的可行性，我們進行了溫度過高、煙霧濃度以及溫度與煙霧濃度同時過高3種情況進行仿真實驗。仿真實驗用處理器主頻為2.1 GHz 雙核的Samsung 便攜型計算機，實驗平臺為Proteus8.6。

4.1 溫度過高時

當溫度高于所設置的閾值，煙霧未達到所設置的閾值時，即溫度傳感器測量到的溫度值高于39℃，但煙霧傳感器測量到的煙霧濃度沒有超過61%，這種情況郵輪客房沒有發(fā)生火災，單片機并不會給出報警信號，聲光報警不動作，這種情況的仿真結果如圖13所示。

圖13 溫度過高時的仿真圖

4.2 煙霧濃度過高時

當煙霧高于所設置的閾值，溫度未達到所設置的閾值時，即煙霧傳感器測量到的煙霧濃度超過61%，但溫度傳感器測量到的溫度值低于39 ℃，這種情況郵輪客房沒有發(fā)生火災，單片機不會給出報警信號，聲光報警不動作，仿真圖如圖14所示。

圖14 煙霧濃度超標時的仿真圖

4.3 溫度與煙霧濃度同時過高時

當煙霧濃度值與溫度值同時超過所設置的閾值的時候，即煙霧傳感器測量到的煙霧濃度超過61%，同時溫度傳感器測量到的溫度值高于39 ℃，這種情況郵輪客房已經發(fā)生火災，報警電路需工作響應，此時單片機會給出報警信號，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警信號，仿真結果如圖15所示。

圖15 溫度與煙霧濃度同時過高的仿真結果

5 結束語

針對郵輪客房防火的特點，完成了基于單片機的郵輪客房火災自動探測與報警電路的系統(tǒng)設計，使用Proteus仿真軟件對溫度過高、煙霧濃度以及溫度與煙霧濃度同時過高3種情況進行仿真實驗驗證。仿真結果表明，溫度或者是煙霧濃度值超過閾值時，系統(tǒng)不會報警，只有當溫度值和煙霧濃度值同時超過閾值時，滿足了報警的條件，系統(tǒng)才會發(fā)出聲光報警信號，即設計的郵輪客房火災自動探測與報警電路實現(xiàn)了游輪客房火災的自動探測與報警功能，并它可根據客房環(huán)境中的煙霧濃度和溫度情況，實現(xiàn)自動聲光報警。